【摘 要】
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随着医疗诊断的发展,超声医疗诊断凭借着无害性、快捷性、准确性等优点在医疗行业快速发展,现已成为医疗诊断中的首选方式。作为医疗超声诊断系统的核心,超声换能器的性能直接决定着超声成像的质量。目前市场上的超声换能器主要使用Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）压电陶瓷制备,弛豫铁电单晶的出现改变了这一局面。相对于PZT,弛豫铁电单晶优异的压电介电性能使其在超声换能器的应用中占领着明显的优势。超声换能器的
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随着医疗诊断的发展,超声医疗诊断凭借着无害性、快捷性、准确性等优点在医疗行业快速发展,现已成为医疗诊断中的首选方式。作为医疗超声诊断系统的核心,超声换能器的性能直接决定着超声成像的质量。目前市场上的超声换能器主要使用Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）压电陶瓷制备,弛豫铁电单晶的出现改变了这一局面。相对于PZT,弛豫铁电单晶优异的压电介电性能使其在超声换能器的应用中占领着明显的优势。超声换能器的设计制备涉及多个学科,相对复杂,因此高端超声换能器的设计与制备是很多企业的核心机密。虽然目前市场上已经出现单晶换能器,但是高端的超声医疗设备的核心技术依然被外国企业垄断,应对国家发展技术创新,发展高性能超声换能器必不可少。本文基于高压电性的弛豫铁电单晶,研究制备了高性能的单晶超声换能器,主要研究内容如下:基于PZflex有限元仿真模拟软件,结合等效电路模型建立了超声大凸阵换能器模型,针对超声换能器性能优化设计了多层声学匹配结构的模型。并分别以不同压电材料(PZT陶瓷和（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-x Pb Ti O3（PMNT）单晶)、不同声学匹配层结构的超声换能器进行仿真模拟。模拟结果显示基于PMNT单晶设计的三层匹配结构的超声换能器的性能最优,带宽约为85%,相对灵敏度约为-38 d B,比双层匹配结构的PMNT单晶换能器带宽带宽（75%）高出约11%,灵敏度（-42 d B）高出约4 d B。同时性能远远高出市场上商用PZT超声换能器（带宽68-70%,相对灵敏度-60 d B左右）。模拟表明基于PMNT单晶设计的换能器性能优异,多层声学匹配结构的设计极大提升了超声换能器性能。基于上述模拟结果,制备了三种不同的医用超声大凸阵换能器:三层匹配PMNT换能器、双层匹配PMNT换能器和三层匹配PZT换能器。并对制作完成的超声换能器进行实验测试。与仿真模拟结果相对比,实验测试脉冲回波曲线与仿真模拟结果基本一致。三层匹配结构的PMNT超声换能器的实测带宽达到了82%,相对灵敏度约为-50 d B;双层匹配结构的PMNT单晶换能器带宽72.57%,相对灵敏度-54.96 d B,三层匹配结构的PZT带宽75.87%、相对灵敏度-54.04 d B对比商用PZT超声大凸阵超声换能器（带宽在68-70%,相对灵敏度-60 d B左右）,三种换能器的性能都比商用更加优异,特别是多层匹配的PMNT超声换能器。实验证明基于PMNT设计制备的超声换能器性能能够得到提升,证明了多层声学匹配结构的PMNT超声换能器性能得到了极大的提高。结合压电材料性能对超声换能器性能的影响,研究了[001]取向的x Pb(In1/2Nb1/2)O3-y Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-z Pb Ti O3（PIMNT）单晶在直流极化（DCP）和交流极化（ACP）条件下的压电和介电性能,确定了PIMNT的最佳ACP条件,并分析了不同极化方法对超声换能器性能的影响。实验结果表明,采用10-18 k V/cm,极化频率为10-20 Hz和10-25个周期的交变电场,PIMNT的压电系数(d33)从1147提高到1570 p C/N,提高约37%,比传统DCP的PZT陶瓷高约125%。同时,其相对介电常数从4396.84增加到5361.36,比DCP的PZT高约103%。随后,使用三种压电材料（ACP PIMNT、DCP PIMNT、DCP PZT）设计制备了三种高频单基元超声换能器。实验测试结果表明,ACP PIMNT超声换能器的回波幅值（1.7 V）,带宽（55.04%）和相对灵敏度（-35.34 d B）都大大提高。比DCP-PIMNT超声换能器高6.6%,24%和8.5%。远远高于传统的DCP-PZT换能器（0.91 V、26.52%、-40.92d B）。实验结果证明了交流极化的方法能够有效提升超声换能器性能,有望在未来用于提升医用超声换能器性能,提高超声成像质量。
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